面向高校學生的《智能機器人》課程教學創新方法研究

陳余慶，于雙和，牛小兵

（大連海事大學 船舶電氣工程學院，遼寧 大連）

一 引言

《智能機器人》課程以培養符合世界一流大學要求的具有國際競爭力的高素質創新人才為宗旨，將重點建設各類機器人模塊化綜合平臺，實現高校教學開放式課程體系。《智能機器人》實踐教學依托于新型機器人科技實驗平臺，其具體內容融合了機器人機械結構設計、驅動與控制方式、多種類信息感知、運動規劃與目標跟蹤、自主定位與地圖構建等[1-3]。與傳統多數課程知識體系相比，《智能機器人》教學內容具有知識覆蓋面跨度大和綜合性強等特點。《智能機器人》課程的教學知識體系也有必要構建為一種從簡單到復雜的遞進式教學模式，即實現從單一基本技能模塊逐步過渡到綜合技能模塊，進而達到機器人綜合創新設計能力的能力進階式系列化教學體系。同時，建立和不斷豐富機器人實踐教學案例庫，使學生得到機器人開發系統化訓練。

提升和優化《智能機器人》理論與實踐教學模式和內容，擴大學生知識面，提升專業知識水平，使學生掌握機器人所涉及的自動化、電子、信息[4]、計算機軟硬件[5-6]和人工智能等學科相關內容，從而為今后從事機器人等相關工作奠定良好基礎。此外，創新教學內容與方法的實施可以將產業對人才培養目標的最新要求引入課程實踐教學，將機器人行業的新動態、新成果融入新的教學過程中，加強產學研合作，凝練最新機器人特色應用技術，并打造機器人課程優勢方向，從而為高校學生創造良好的學習氛圍和機器人實驗條件，不斷提高機器人相關專業的綜合實力與教學水平。

通過面向高校學生的《智能機器人》課程創新方法研究，全面梳理《智能機器人》教學課程創新體系架構（圖1），修訂高校學生培養目標和課程教學目標，提升高校學生培養素質和質量。通過展示機器人構型以及采用模塊化設計構造的標準化智能機器人功能，讓學生理解當前機器人系列課程的實際應用價值和專業發展的引領作用。然后再改善和制定相關學習內容和方法，將智能控制、大數據等融入機器人實踐中，創新機器人教學培養方式。理論課程以講解基礎知識，實驗課則以若干機器人工程相關實驗項目為主要內容，理論和實驗課程均以智能控制與機器人工程新工科實驗相關內容為依托。通過結合具體項目來實現理論與實踐的有機結合，提升高校學生質量培養效果。

圖1 《智能機器人》課程創新體系架構

通過更新和改革機器人教學內容與方法，滿足高校機器人類課程教學需求，教學方法改革，更注重學生的綜合素質和能力培養。《智能機器人》教學內容改革，同時為創新設計競賽的高校學生提供賽前培訓、創新性實踐等指導，開拓學生創新思維，提高學生的實踐素質。

二 課程改革目標

通過《智能機器人》理論與實踐教學內容改革和方法創新，旨在探索培養當代國家社會需要的研究型創新科技人才，培養具有從事機器人領域工作的綜合技能人才，培養富于創新精神和實踐能力、具有國際視野以及較強溝通能力的高素質復合型人才。推動高校的“雙一流”學科建設，推進高校學生教育內涵式發展，培養高校學生優秀拔尖人，實現高校學生教育質量提升，并取得具有顯示度的標志性成果[7-9]。通過《智能機器人》課程教學方法研究，具體達到如下改革目標：

（一） 提升學生機器人創新和批判性思維能力

整合高校學生《智能機器人》課程的優質教學資源，形成一整套具有互動性、啟發式和探究式的多學科交叉高校學生課程學習方法。通過教學方法改革，使得教師能夠給學生及時的幫助和反饋，并建立教學相長、無私分享的高校學生教學形式。此外，在學生培養中，改變傳統的灌輸式教育方式，教師指導和放手之間找到平衡點，培養學生具備學術質疑精神和批判性思維，以培養出身心健康的能夠服務于國家社會的高素質創新人才。

（二） 優化學生學習資源配置和教學模式

充分開發和應用現有多種類的信息化教學平臺和數字化資源，合理組織教學過程，建立高效的多平臺信息化教學體系。運用課前問題導學、課堂面對面講授、云端問題測試、課后線下交流討論和現場實驗操作等多種教學方法，營造一種輕松高效而友愛的學習氛圍。通過多種線上學習應用軟件的有效結合，配合及時的課后體會總結等內容，建立學習與享受、學術與生活的有機統一，踐行“無處不學術”的研究新理念。

（三） 增強學生的互助協作與實踐能力

機器人教學過程中，建立以學生為中心的教學模式，并組織學生更多進入實驗室，鼓勵學生自主學習機器人開發知識，并通過開發小組成員的團隊協作共同加強實踐能力的訓練。此外，通過參加各類機器人科技競賽活動，學生自己動手組裝和擴展機器人功能模塊，并為機器人編寫核心算法控制程序，使學生掌握智能機器人開發技術方法。積極培養學生的科學理論研究與技術開發相結合的問題分析與解決能力、創新意識和實踐能力、自主學習和團隊協作能力等。

注重創新型人才培養，利用建設完成的實踐課程資源，面向國家機器人科技發展趨勢，培養以機器人為主要對象和工具的自動化系統設計、開發和應用工程師作為專業特色，培養兼具計算機軟件和硬件設計及應用能力、系統的控制理論與機電基礎及系統知識、能從事機器人產品的創新設計、制造、應用開發、運行管理與維護和教育培訓等方面工作，在機器人工程與自動化系統應用領域具有顯著專業特長的綜合型工程技術人才。

三 《智能機器人》課程改革方法

（一） 開發啟發式、開放性問題教學資源

依托智能機器人教學實踐平臺，設置更多開放性的研究問題，通過機器人模塊化組裝、機器人路徑規劃設計、機器人足球賽仿真、機器人串口運動控制、機器人視覺目標識別與分揀等多種實驗案例操作實踐，將機器人應用需求分析、機械設計、驅動方式設計、仿真分析、平臺開發實踐與功能驗證等引入教學過程中，運用任務引領和問題導向的目標式教學方法，提升學生的主動創新意識和思辨能力。

為學生提供智能機器人領域的理論前沿與發展動態，掌握機器人系統的基本理論，讓學生掌握機器人傳感器、機器人控制器和機器人設計的基礎知識，完成智能機器人模塊化認識實踐教學；要求學生了解開發機器人軟件和硬件的模塊，學會機器人操作程序編寫。讓學生結合已經獲取的機器人傳感信息以及機器人相關知識，進行自由發揮，完成不同功能的移動機器人設計。學習和開發多自由度人、多形態機器人，并為學生提供軟件編程平臺，實現對目前已有的機器人科技的學習。同時組織學生對學習內容進行評價和總結，引導學生提出研究主題的關鍵性科學問題和存在不足，培養學生的學術批判性思維。

（二） 研究機器人發展的倫理道德和課程思政問題

智能機器人本體的發展水平日新月異，然而機器人作為智能科技的一種重要的具有推理能力的載體，其智能自主思維能力的不斷演進如何與人類社會的道德意識相匹配，成為人類不可避免要面對的新問題。上世紀提出的“機器人開發三原則”只是對于針對機器人如何不得傷害人類做出了框架性約束，對于機器人的思想和意識發展問題并沒有提及。機器人教學改革可以加強規范機器人的人工智能思維意識，并與人類社會不同國家、不同地域以及不同種族和不同時代的倫理道德觀念相匹配，建立新的智能機器人發展的倫理道德約束機制。并與課程思政教育相結合，致力于發展有益于民族團結和人類共同進步的機器人開發新規范。

（三） 探索高效的線上/線下混合教學模式

建立《智能機器人》課程微論壇、課前知識點的云端問題調查、課堂教學討論以及課后學習成果線上云反饋的多信息交互平臺授課軟硬件支撐體系。通過探索不同線上信息教學平臺的特點，構建一種形式聚焦一起、融為一爐、共為之用的混合教學模式，利用新興的信息技術把傳統課堂教學的優勢和網絡在線教學的優勢相結合，通過平臺資源優化進一步提升現有的學生培養教學質量，探索學生教學模式的高效支撐信息平臺技術架構。

（四） 融合課程教學與科技創新競賽知識體系

改變傳統的課程教學以基礎理論為主線的模式，采用科技創新需求為導向的教學方法。構建國家級大學生機器人競賽 “RoboCup”杯、“RoboMaster”杯等學生科創競賽指導規范，并融入《智能機器人》課程中的教學主題元素之中。根據歷年的科創競賽主題和經驗，指導學生參與和設計所在學習年度的新科創主題。這樣，通過融合課程教學與科技創新競賽知識體系，不僅可以提升工程類學生的實踐操作能力，而且可以保持學生教學內容的新穎性和知識前瞻性。

利用所建設的機器人本體學習平臺，課程開展的過程中，讓學生在掌握智能機器人控制的基礎上進行機器人的分解與組裝，充分了解機器人的機械組成，從組裝拆卸的過程中學習機器人的設計思路，由此讓學生學會設計一些簡易機器人。此外，課程開展的過程中，讓學生基本理解掌握控制工程、電氣與計算機工程、計算機科學和系統工程基礎知識，掌握履帶式、麥克納姆輪式等移動平臺的使用，并將多種移動平臺與其他機器人設備相結合運用，通過開放性、綜合性的設計實驗，掌握機器人系統集成和工程應用的開發技術。總之，通過機器人教學方法創新，可以拓展高校學生的創新思維能力和創新意識，并提升學生的整體綜合素質和創新開發工程實踐能力。

四 結語

《智能機器人》課程伴隨著我國智能科技的發展而成為大學生教育的核心課程之一，迫切需要改變目前傳統的機器人教學方式，提高學生對專業知識的興趣，培養其實踐能力和創新意識，還可將智能機器人與學生各種機器人類賽事相結合，促進學生綜合知識的掌握和綜合能力的提高。通過深入研究開發啟發式、開放性研究問題教學資源，并研究機器人的倫理道德和課程思政等新問題，探索高效的線上/線下混合教學模式，融合課程教學與科技創新競賽知識體系，建立符合未來社會“人機統一”的智能機器人技術發展需求的教學新體系。